基于电力光纤的智能电网终端模型构建

时海刚，王泽众，杜 彬，李宏毅

（1.国家电网技术学院，山东 泰安 271000；2.华北电力大学，北京 102206）

0 引言

近几年来，智能电网技术的研究与开发日渐深入。智能电网技术是将能源资源开发、输送、存储、转换（发电）、输电、配电、供电、售电、服务以及蓄能与能源终端用户的各种电气设备和其它用能设施通过数字信息化网络连接在一起［1］。可以想见，多种形式能源的智能接入、负荷的智能调度、电力设备的智能控制、终端用户的智能服务、智能化的数据挖掘与分析共同组成了电网智能的核心。特别是终端用户，不仅仅指用能者，而是连接在智能电网中的所有用户。只有全面了解和把握终端用户的详细信息和需求，与用户实现交互功能，才能实现电网的真正智能化。

电力光纤是指电力电缆（线）中加入光纤，把电力电缆（线）打造成一条信息共享的“高速路”，在这条“高速路”上，既可输送电能和智能电网信息，也可搭载互联网和电信、广播电视信号，最大程度地整合了各项资源。电力光纤秉承了光纤频带宽、传输容量大、无中继传输距离长的特点，更为重要的是其抗干扰、抗锈蚀、耐高温、防电磁辐射、可绕性好更适合随电力线一同敷设［2］。上述特性决定完全可在更高电压等级的电力电缆中搭载多芯光纤。在数字通信和物联网时代，电力光纤随电力线延伸到各行各业、每家每户，具有非常重要的意义。

下面以电力光纤为基础来分析和研究电网智能终端模型的构建问题。以区域电网公司为终端模型单元，采用树形结构，区域电网公司服务器为模型的根，下面分支（层）为变电站所（发电厂）、街区、小区、楼宇、住户。区域电网公司服务器又是上层模型的分支，同时也是其他网络的网关，其结构如图1所示。

1 终端模型架构

该终端模型就是要实现这样一种技术：电视网、电话网、Internet数据通过三网合一终端，和电网网络部分通过合波器混合在一起进入区域电网公司服务器，服务器中提供WEB和WAP管理软件，用于电网管理；数据网络通过电力光纤连接到变电站、小区、楼宇、单元、家庭用户。在这个过程中，通过分波器在下行光纤中取出各自需要的信息；通过合波器把需要的用户信息耦合进上行光纤。比如在家庭用户中，取出需要的三网数据以及其他数据，同时还要把各种设备，包括水、电、气、热四表数据耦合进上行光纤。当然，考虑到电网实际结构，电力光纤和普通光纤也可以混合使用，而不会影响传输效果。具体架构参见图2。从图中可以看到，仅仅通过一根电力光纤就可实现各种功能。

图1 终端模型的树形结构

图2 终端模型架构

三网合一终端实现三网数据交换功能；合波器实现多个光源的混合功能；区域供电公司服务器是模型的核心，是整个网络的管理和控制中枢，负责该区域四网数据的处理，同时作为网关使用；变电站相当于中继器，同时又是一个监控节点；小区箱式变电站相当于智能小区管理中枢，也是一个监控节点；小区低压配电箱负责为各个楼宇配线，通常和小区箱式变电站整合在一起；单元接线箱提供该单元视频对讲、指纹等系统接口；用户机提供用户和光网络接口；用户主要是指用户的室内设备和设施，也是一个重要监控节点。

该模型可在任意位置架设无线局域网络（WLAN）AP 接入点［3］，以促进将来的移动互联。

2 模型的功能模块

2.1 变电站

区域电网公司到变电站的电力光纤建议采用8～12芯单模光纤结构。其中2～4芯用于变电站监控。

实际上，为了实时监控的需要，区域电网公司到变电站的光纤网络已经形成。要做的工作主要是光纤网络的增容和改造。

电力光纤下行光纤连接光分接器取出所需信号，该变电站监控信息通过合波器耦合进上行光纤进行传输。同时上行和下行光纤接至变电站低压侧出口。具体结构参见图3。

图3 变电站

2.2 小区箱式变电站

小区箱式变电站入口即为变电站出口，其结构与变电站类似。不仅为小区提供更低电压等级的电能，还要负责该小区四网信号的传输。同时，针对长期以来小区变电箱缺少监控和管理的问题，设计了一种基于ARM处理器的嵌入式监控系统，采用流行的通用技术，对小区箱式变电站进行监控和管理，监控信号同样通过电力光纤传输。其结构参见图4。

图4 小区箱式变电站

小区箱式变电站的出口为各分区入口，当然也可不设分区，或者一小区一个，要看实际情况而定，建议采用4～8芯单模光纤结构。

2.3 小区低压配电箱

小区低压配电箱和智能电表模组集成在一起，为的是使用现成的智能电表，在节省大量资源的同时，与其进行通信联络，配置、更新电表设置信息。

配电箱还提供小区各种参数监视和报警，小区监控探头也可通过各楼宇配电箱引入。到时，智能小区问题就是连一根网线到配电箱的问题。其结构如图5所示。建议采用4～8芯单模光纤结构。

图5 小区低压配电箱

2.4 用户机

用户机可以安在室外，也可安在室内。处理用户、网络、电力、水、电、气、热等信息。另外，还要和安防系统接口，提供指纹、视频、对讲功能。其结构如图6所示。建议用户门口机采用2～3芯单模光纤结构。

图6 用户机

2.5 用户

用户是指该用户所有的家庭设备或设施，包括移动终端。典型用户配置如图7所示。

图7 用户模型

实际上，用户端是一个难点，即要保证信号的统一，又要保证信号的质量，还要保证环保，对人体无害，同时还要经济。另外，用户设施类型繁多、布置分散。以上这些问题说明，用户端所用的技术是一个多种技术的综合体，这就需要制定一个规范进行约束，以适合上述要求，而不论这些技术先进与否。

3 模型实现

由于变电站监控系统早就在电网公司实现，因此，从模型的功能来看，要实现其他所有功能，首先必须具备高性能电力光纤传输系统以及为该系统提供数据并进行通信的智能设备和技术；其次是能实现所有中间智能节点功能的技术；最后是能实现终端用户的智能化功能。除此之外，还要对一些智能设备的接口进行规范设计，统一通信协议。至于采用何种技术，可以不加或略加限制。

3.1 电力光纤传输系统

电力光纤传输系统传输的数据量大，线路上的节点多，数据交换复杂频繁。因此，必须采用光的波分复用技术实现不同信息的传输。也就是说，下行光纤要进行分接复用（复接），取出所需数据的同时，不影响其他数据的传输；上行光纤要把不同节点产生的数据进行合波，然后进行传输。本模型采用同步数字体系（SDH）作为传输系统，采用8～12芯单模光纤结构，如图8所示。

从图8可以看出，5种不同速率的标准信号分别装进5个标准容器C-n；C-n作为信息净负荷与通道开销信号映射进低阶虚容器VC-n；VC-n加上相应支路定位指针装入支路单元TU-n；一个或多个TU-n组成支路单元组TUG；6 Mb/s速率的TUG-2既能复用进48 Mb/s的高阶虚容器VC-3再复用进50 Mb/s的管理单元AU-3，也可复用进49 Mb/s的TUG-3，通过150 Mb/s的高阶虚容器VC-4复用进150 Mb/s的管理单元 AU-4；AU-3、AU-4及管理单元指针共同组成150 Mb/s管理单元组，复用为155.52 Mb/s的STM-1同步数字传送模块。在我国，为了追求经济效益，省去了1.5 Mb/s和6 Mb/s速率接口，并采用AU-4复用线路。也就是去掉上图中的C-2、C-11支路以及高阶VC-3、AU-3支路。但考虑到智能电网传输信息的多样性，推荐使用标准SDH。

SDH的同步传送模块STM-N目前只支持N=1，4，16，64，其速率分别为 155.52 Mb/s的 N 倍，也就是说最高数率达到9 953.28 Mb/s。

SDH可实现高速无协议的数据传输，包括图像、语音等。同时具有实时性、保密性强的特点，非常适合智能电网要求。

3.2 系统关键技术的选择

除了电力光纤之外，全网的设备布置无论从地域还是空间来看，都显得较为复杂。为了实现全面覆盖，就需要一些相应技术能够执行网络指令、采集用户信息数据、设置局部系统参数等。同时，还必须具备新能源发电的并网技术。

在现场，如果设置局部系统参数，比如小区箱式变电站，人机交互是必备功能，可选择嵌入式系统；如果设备比较分散，比如油田设施，可采用无线技术先行处理，再经光纤传输；如果设备相对集中，但种类繁多，比如一般工厂和家庭，可采用LonWorks技术；如果是特殊应用，可采用单片机技术进行开发。另外，在管理侧，有可能是用户也有可能是管理人员或者是领导者，这就需要提供全方位的管理软件适应不同的人群和不同的登录方式（有线和无线终端），并赋予不同的管理权限，这一点，只有基于Web的MIS才能做到。

3.2.1 嵌入式系统

嵌入式系统是以专门应用的实现为中心、以计算机技术和网络通信技术为基础，软件可按需增加和删除，硬件可按需配置，系统可靠性、成本、体积、功耗要求严格的专用计算机系统［4］。硬件采用以ARM处理器为核心的开发平台，软件采用以Linux操作系统为主导的C、Java开发平台，Android操作系统。典型嵌入式系统架构参见图9。

图8 同步数字体系STM-1

3.2.2 无线技术

无线技术就是利用电磁波进行数据传输的技术手段，常见的有 GSM、3G、4G、蓝牙、Wi-Fi、红外、ZigBee（IEEE802.15.4）等。本模型用到的是后面4种短距离无线通信技术，特别是ZigBee，它是最近发展起来的一种短距离无线通信技术，功耗低，被业界认为是最有可能应用在工控场合的无线方式。它同样使用2.4 GHz波段，采用跳频技术和扩频技术。另外，它可与254个节点联网，节点可以包括仪器和家庭自动化应用设备，具有功耗小、成本低、时延短、容量大、安全、可靠等特点，使其在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统等领域有很大的发展空间［5］。

3.2.3 LonWorks技术

LonWorks是美国Echelon公司研制开发的现场控制网络。该技术核心元件是一个具有3个8位CPU的神经元Neuron芯片。该技术采用LonTalk协议，具有ISO/OSI 7层模型，可在双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外、电力线等传输媒体中进行通信，对于不同媒体，采用不同的收发和路由器，在最高通信速率1.25 Mb/s（传输距离130 m）和最远通信距离2 700 m（传输速率 78 kb/s）具有极高的可靠性［6］。 该技术非常适合用户端的要求，建议采用。缺点是价格昂贵，开发系统不够开放，每一个节点都需要购买。

3.2.4 单片机技术

单片机系统集CPU、EPROM、ROM、I/O 接口、中断系统及电源、晶振于一体，可以很容易地构建一个简单控制系统，实现对数字信号的处理和控制［7］。因此，利用单片机系统同样可以实现客户端的大部分要求，但是存在开发较复杂、修改困难、维护不便的缺点。所以，特殊场合的应用可以考虑采用单片机。

3.2.5 智能逆变技术

智能电网的要求必须为多种新能源提供混合接入手段，鼓励新能源的使用和推广。如果用户安装了太阳能光电板或小型风力发电机，应该让他们并入电网且不会影响电网的安全与稳定，这就需要智能逆变技术，把直流电转化成交流电。智能逆变就是让逆变器伪装成同步发电机，实时跟踪电网电压波形的变化，保持同期或同步，能和调度中心进行通信和联络，以便下达控制指令和进行功率等的监视。建议采用以DSP（数字信号处理器）为核心处理部件的智能逆变器系统［8］。

当然，仅靠这种智能调节是有限的，根本的解决办法是采用大规模储能技术，推荐抽水蓄能与风能组合成一个电源对象的负荷调节方法，即对象内部风能的消纳由抽水蓄能电站来解决，整个对象输出利于调峰或相对平稳。

3.2.6 基于Web的管理信息系统

信息管理离不开Web和数据库。Web不仅能提供良好的人机交互界面，而且只在服务器端安装，用户端仅需浏览器即可，使软件的修改和维护变得非常容易；数据库系统用来存储、查询、更新、删除数据，保证了数据的安全、可靠［9］。可以这样说，现代系统管理如果离开了Web和数据库，那就不是一个完善的系统。建议采用Java软件为用户界面开发平台，可以整合不同的数据库系统，比如MySQL、SQL SERVER、Oracle 等［10］。

3.3 中间智能结点的实现

中间智能结点林林总总，大型变电站已经实现了智能监控，除此之外，还包括箱式变电站、配电箱、小区智能监控系统、WLAN接入点等等。

小区智能监控系统由小区箱式变电站、低压配电箱、路灯、安防、视频以及总的水、气、热等的监控共同组成。箱式变电站和低压配电箱采用嵌入式系统进行管理；路灯控制和水、气、热监控采用LonWorks技术；安防系统的遥控采用无线技术；视频和数据的汇总传输采用电力光纤；小区WLAN可在适当位置多个设置，保证全面覆盖。 其它中间智能节点与其基本类似。

3.4 终端用户智能节点的实现

终端用户智能节点的典型设备是用户机。用户机采用ARM嵌入式系统开发，作为用户和外界连接和管理的设备。

在用户侧，网络、视频、电话数据采用电力光纤传输并解码；温度、湿度、光照等数据用无线传输；空调、灯光、电饭煲、水、电、热等设备监控采用LonWorks技术传输和控制。最后汇总到用户机。

在外侧，连接外来电力光纤，包括以下数据：三网和电网数据、安防数据（比如单元门的可视对讲数据）、小区通信数据（比如内部电话）以及用户的控制数据等等。

在内部，集成智能电表模组以及传感器电源；进行光的分光和混合；下载存储指纹数据；下载存储阶梯电价等等。

上述架构和技术已经在国网技术学院和武汉大学合作的 《基于电力光纤入户的智能家居用电控制系统的研制》科研项目中得到充分应用和证明。

4 结语

基于电力光纤智能电网终端的全面覆盖是未来的发展方向，根据适用范围猎寻其他多种可能的技术，抓住当前有利时机加快试点和推广，提前做好布局，最终实现电力流、信息流、业务流高度融合。电能的管理将变得容易，不仅可以进行网上购电，而且特殊人群和企业的免费额度、计量单价以及阶梯电价的计量时限，都可以通过网络自动写入用户的智能电表。智能化的电网将把触角延伸到每一个角落，横跨多个领域，掌握更多信息，适应所有形式的新能源发电并网。在物联网规划刚刚出台、移动互联刚刚起步的今天，依托电力光纤不仅能实现电网自身的智能化发展，而且有能力、有条件打造新一代综合网络。

［1］ 陈树勇，宋书芳，李兰欣，等.智能电网技术综述［J］.电网技术，2009（8）：1-7.

［2］ 李孝强，李标庆.通信技术基础［M］.北京：中国人民大学出版社，2003.

［3］ 王娟，郭家奇，刘薇.WIFI技术的深入探讨与研究［J］.价值工程，2011（6）：91-92.

［4］ 何永琪.嵌入式Linux系统使用开发［M］.北京：电子工业出版社，2010.

［5］ 周怡，凌志浩，吴勤勤.ZigBee无线通信技术及其应用探讨［J］.自动化仪表，2005，26（6）：5-9.

［6］ 高安邦，孙社文，单洪，等.LonWorks技术开发和应用［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［7］ 贺敬凯，刘德新，管明祥.单片机系统设计、仿真与应用［M］.陕西：西安电子科技大学出版社，2011.

［8］ 石昆，章坚民，李阳春，等.基于DSP的三相光伏并网逆变器控制系统设计与实现［J］.电子器件，2011，34（3）：272-277.

［9］ 李兴华.Java开发实战经典［M］.北京：清华大学出版社，2011.

［10］王珊，萨师煊.数据库系统概论［M］.北京：高等教育出版社，2009.